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1、1,电磁波法探测技术地质雷达,地质雷达法、探地雷达法GPR（Ground-Penetrating-Radar），Geo-radar, Geo Probing radar是研究超高频短脉冲电磁波在地下介质中传播规律的一门学科。正弦电磁波的传播特征是探地雷达的理论基础。是一种对下的或结构物内部不可见的目标体或分界面进行定位或判别的电磁波探测技术,工程物探专题-地质雷达,2,探地雷达具有以下技术特性，使其在许多领域尤其是工程地质领域的得到广泛应用。 1.它是一种非破坏性探测技术，可以安全地用于城市和正在建设中的工程现场，工作场地条件宽松，适应性强； 2.抗电磁干扰能力强，可在城市内各种噪声环境下工作
2、，环境干扰影响小； 3.具有工程上较满意的探测深度和分辨率，现场直接提供实时剖面记录图，图像清晰直观； 4.便携微机控制数据采集、记录、存储和处理； 5.由于使用了高频率，电磁波能量在地下的衰减较强烈，若在高导厚覆盖条件下，探测范围将受到限制。,3,探地雷达虽然与探空雷达一样利用高频电磁波束的反射来探侧目标体，但是探地雷达探测的是在地下有耗介质中的目的体，因此形成了其独特的发射波形与天线设计特点。,雷达探测技术用于地下，是在高频微电子技术的以及计算机数据处理方法迅速发展的近代，才得以极大提高，应用领域也迅速开拓。与探空或通迅雷达技术类似，探地雷达也是利用高频电磁脉冲波的反射探测目的体及地质现象
3、的，它是从地面向地下发射电磁波来实现探测目的，故亦称之为探地雷达或地质雷达（Grannd Penetrating Radar, GPR）。,据已发表的资料探地雷达使用的发射波形有调幅脉冲波、调频脉冲波、连续波等；使用的天线有对称振子天线、非对称振子天线、螺旋天线、喇叭天线等。脉冲时域探地雷达输出功率大，能实时监测测量结果，设备可做成便携式等优点，在商用地面探地雷达中，已得到广泛应用。,4,探地雷达的实际应用范围很广，如： 灰岩地区岩溶的探测; 冰川和冰山的厚度等探测; 工程地质探测;管线探测;煤矿井探测，泥炭调查; 放身性废弃物处理调查;水文地质调查; 地基和道路下空洞及裂缝等建筑质量探测;
4、地下埋设物，古墓遗迹等探查; 隧道、堤岸、水坝等探测。,探地雷达探测所使用的中心工作频率在105000MHZ范围时窗在020000ns，电磁场以波动形式传播，为辐射场法。根据不同的地质条件，地面系列的雷达探测深度约在3050m，分辨率可达数厘米，深度符合率小于5cm。,5,一、基本原理,高频电磁波以宽频带短脉冲形式，通过发射天线被定向送入地下，经存在电性差异的地下地层或目标体反射后返回地面，由接收天线所接收。高频电磁波在介质中传播时，其传播路径、电磁场强度与波形将随通过介质的电性特征与几何形态而变化。因此，通过对时域波形的采集、处理和分析，可确定地下分界面或地质体的空间位置及结构。,工程勘察专
5、题-地质雷达,6,探地雷达工作原理示意图,7,超高频电磁波（10MHz5000MHz）由于地下介质往往具有不同的物理特性，如介质的介电性、导电性及导磁性差异，因而对电磁波具有不同的波阻抗，进入地下的电磁波在穿过地下各地层或管线等目标体时，由于界面两侧的波阻抗不同，电磁波在介质的界面上会发生反射和折射，反射回地面的电磁波脉冲其传播路径、电磁波场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化，因此，从接收到的雷达反射回波走时、幅度及波形资料，可以推断地下介质或管线的埋深与类型。,8,为相位系数，为导电率（1/），为介电系数，为磁导率,9,10,11,3. 电磁波的反射系数,电磁波在传播过程中，遇
6、到不同的阻抗界面时将产生反射波和透射波，其反射与透射遵循反射与透射定律。反射波能量大小取决于反射系数R，反射系数的数学表达式：,12,常见介质的相对介电常数、导电率、传播速度与吸收系数,13,利用雷达对空间目标的探测已发展成为一项成熟的技术，并被广泛应用在各种军事及民用领域中。随着人类对自然界认识的逐步深化，人们对地下世界的探知要求变得越来越迫切与深入。早在1904年德国人就采用了电磁波探测地下的金属物体，到1956年，J.c.Cook 又提出了应用无载频脉冲雷达探测地下目标。随着科学技术理论与应用实践，瞬态无载频脉冲雷达技术得到了较快的发展，并在70年代中进入了实际应用阶段。 我国从80年代
7、中期开始进行探地雷达技术的研究和试验，最初用于军事地雷的探测。经过十几年的研制攻关，在雷达硬件设备、信号处理、目标成像等方面取得重大进展和突破，特别是成功地实现了对地下目标的三维层析成像，大大提高了分辨率和清晰度，使探地雷达在信号处理和成像技术方面进入了世界领先行列,二、雷达技术的研究及探测仪器的发展,工程物探专题-地质雷达,14,加拿大Sensor & Software Inc., EKKO (Noggin)系列美国GSSI，SIR系列瑞典Mala Geoscience Inc., RAMAC系列 意大利IDS, RIS系列中国电磁波传播研究所CRIRP，LTD系列拉脱维亚，ZOND系列,1
8、5,EKKO 100增强型,EKKO 1000型,Noggin 250型,EKKO 系列,16,SIR3000型（最新）,匹配天线,SIR 系列,17,3207型,5103型,5100型,Next,美国GSSI自行生产的天线,18,Subecho 70型,屏蔽天线900型,屏蔽Subecho 200型,Radarteam定制的天线,19,X3M型,RAMAC系列,匹配天线,20,屏蔽天线100型,非屏蔽天线100型,非屏蔽天线200型,21,RIS-2K/ME型（多道）,RIS系列,RIS-2K/0型（单道）,22,LTD系列,200MHz,300MHz,500MHz,500M,900M,10
9、00M,23,LTD车载系统,LTD-2000车载公路检测仪（车载系统探测速度可达到60km/h，各项指标已达到或超过国外同类产品，可用于公路面基层厚度和基层下存在缺陷检测）,24,北京爱迪尔公司的CBS-9000型 地质雷达及天线,ZOND12-E型 地质雷达及天线,26,三、野外数据采集,1. 主要技术参数1.1 雷达方程,工程物探专题-地质雷达,27,探测距离与探距方程,雷达系统从发射到接收过程中的功率损耗Q可由雷达探距方程来描述。,满足Qs+Q0的距离 ，称为探地雷达的探测距离，亦即处在距离 r 范围内的目的体的反射信号可以为雷达系统所探测。,系统增益：,最小可探测的信号功率,输入到发
10、射天线的功率,28,对于铜、铁等良导电媒介质，其电导率很大，衰减常数也很大，因此，电磁波在良导电媒质中传播时，场矢量的衰减很快，电磁波只能透入良导体表面的薄层内（电磁波只能在导体以外的空间或电介质中传播），这种现象称为趋肤效应。电磁波透入导体内的深度称为穿透深度，或趋肤深度：,这表明电磁波进入良导体的深度是其波长的1/2倍，高频电磁波透入良导体的深度很小。当频率是100MHz时， 。可见，高频电磁波的电磁场，集中在良导体表面的薄层内，相应的高频电流也集中在该薄层内流动。,1.2 探测距离与选用的天线频率、地下介质的相对介电常数、电导率相关,29,31,1.3 分辨率（分辨最小异常体的能力）垂向
11、分辨率：区分一个以上反射界面的能力 四分之一波长：B=/4=v/4f水平分辨率：在水平方向上所能分辨的最小异常体的尺寸波的干涉原理，与第一菲涅尔带有关,32,2. 探地雷达探测的设计,每接受一个探地雷达测量任务都需要对目的体特性与所处环境进行分析，以确定探地雷达测量能否取得预测效果。 (1)目的体深度是一个非常重要的问题。如果目的体深度超出雷达系统探测距离的50，那么探地雷达方法就要被排除。雷达系统探测距离可根据雷达探距方程进行计算。 (2)目的体几何形态(尺寸与取向)必须尽可能了解清楚。目的体尺寸包括高度、长度与宽度。目的体的尺寸决定了雷达系统可能具有的分辨率关系到天线中心频率的选用。如果目
12、的体为非等轴状，则要搞清目的体走向、倾向与倾角，这些将关系到测网的布置。,33,(4)围岩的不均一性尺度必须有别于目的体的尺度，否则目的体的响应将淹没在围岩变化特征之中而无法识别。 (5)测区的工作环境必须搞请。当测区内存在大范围金属构件或无线电射频源时，将对测量形成严重干扰,此外测区的地形、地貌、温度、湿度等条件也将影响到测量能否顺利进行。,(3)目的体的电性(介电常数与导电率)必须搞清。雷达方法成功与否取决于是否有足够的反射或散射能量为系统所识别。当围岩与目的体相对介电常数分别为r1与r2时，目的体功率反射系数的估算式为:,一般来说目的体的功率反射系数应不小于0.01。,34,测量工作进行
13、之前必须首先建立测区坐标，以便确定测线的平面位置。 (1)管线方向已知，测线应垂直管线长轴；如果方向未知，则应采用方格网。 (2)目的体体积有限时，先用大网格小比例尺初查，以确定目的体的范围，然后用小网格、大比例尺测网进行详查。网格大小等于目的体尺小。 (3)对基岩面等二维体进行调查时，测线应垂直二维体的走向，线距取决于目的体沿走向方向的变化程度。,3. 测网布置,35,4. 测量参数选择,测量参数选择合适与否关系到测量的效果。测量参数包括天线中心频率、时窗、采样率、测点点距与发射、接收天线间距。 (1)天线中心频率选择。天线中心频率选择需兼顾目的体深度与目的体的尺寸，一般来说，在满足分辨率且
14、场地条件又许可时，应该尽量使用中心频率较低的天线;天线频率与探测深度的粗略关系：1000M-0.5m500M-3-5m 200M-3-8m100M-15m50M-30m10M-50m (2)时窗选择。时窗选择主要取决于最大探测深度h max(单位m)与地层电磁波速度v(单位m/ns)。时窗w(ns)可由下式估算:w=1.3(2 h max/v) ;,36,(3)采样率选择。采样率是采样点间的时间间隔。采样率由尼奎斯特(Nyquist)采样定律控制，即采样率至少应达到记录的反射波中最高频率的2倍。大多数探地雷达系统，频带与中心频率之比为1：1，即发射脉冲能量覆盖的频率范围为0.51.5倍中心频率
15、。这就是说反射波的最高频率约为中心频率的1.5倍，按Nyquist定律，采样速率至少要达到天线中心频率的3倍。为使记录波形更完整，专业工程师建议采样率为天线中心频率的6倍（ZOND系列雷达系统建议10倍）。当天线中心频率为f(MHz)。则采样率(ns)： t=1000/6f,37,(4)测点点距选择。在离散测量时，测点点距选择取决于天线中心频率与地下介质的介电特性。为确保地下介质的响应在空间上不重叠，亦应遵循尼奎斯特定律，采样间隔n x(m)应为围岩中子波波长的14，即:,在连续测量时，天线最大移动速度取决于扫描速率，天线宽度以及目的体尺寸。SIR系统认为查清目的体应至少保证有20次扫描通过目
16、的体，于是最大移动速度V max应满足:,38,(5)天线间距选择。使用分离式天线时，适当选取发射与接收天线之间的距离，可使来自目的体的回波信号增强，偶极天线在临界角方向的增益最强，因此天线间距S的选择应使最深目的体相对接收与发射天线的张角为临界角的2倍，即,实际测量中，天线距的选择常常小于该数值。原因之一是天线间距加大，增加了测量工作的不便；原因之二是随着天线间距增加，垂向分辨率降低，特别是当天线距S接近目的体深度的一半时，该影响将大大加强。一般取S为最大目的体深度的20%,i,张角,S,39,5. 野外信号采集方式5.1 剖面法（反射观测方式）,土木工程学院工程物探,40,5.2 透射法,
17、柱墙楼板,发射天线,接收天线,41,5.3 宽角法（共深点法，CDP） 用于求取表层土的电磁波传播速度,空气波,地表直达波,42,四、 探地雷达图像的数字处理技术,常规的数字处理方法： 预处理：点平均、道平均等 数字滤波，低通、高通及带通、中值波波等 增益调节：AGC、SEG、Const 偏移处理：以射线理论为基础的偏移归位方法 波动方程偏移 多次叠加技术特殊的数据处理方法： 复信号分析：瞬时相位、瞬时振幅、瞬时频率 其它一些非线性技术的应用，如分形技术发展方向：成像处理、图像的三维可视化、智能解释功能,工程物探专题-地质雷达,43,五、探地雷达图像的解释方法,工程物探专题-地质雷达,44,4
18、5,1 时间剖面的对比原则 拾取反射层，依据勘察孔进行对比，建立各种地层的反射波组特征；只要地下介质存在电性差异，就可在雷达剖面上找到相应的反射波。 识别和追踪同一界面的反射波形依据： 同相性、振幅显著性变化、波形特征,46,2 干扰波的雷达图像特征 如何识别干扰波与目标体的图像特征非常关键干扰信号在实际探测工作不可避免1) 地面干扰 地面架空电线（双曲线） 测线附近的金属物（强振幅、密集的反射波组） 地面上的砾石（多次反射，局部强振幅回波） 测绳和皮尺（典型的“X”型干扰）2) 地下异常的多次波 在地质体与地表面来回反射，严重影响目标体的挨反射波信息，波形杂乱，不规则。,47,3 常见特殊地
19、质体的雷达图像特征1) 潜水面水平的强振幅反射波潜水面上下介质因为含水量的差别，介电常数产生较大的差异，反射系数较大。潜水面下的反射波组衰减较大。,48,2) 不同土层的波场特征杂填土：反射波杂乱无序，粘土层：同相轴连续，波组平行，粉质粘土，振幅中等，淤泥质粘土，衰减大，振幅小，砂层的波场特征与粘土层相似，中等及粗砂层，反射波同相轴不连续，存在有规律的绕射波。,49,3) 基岩破碎带的波场特征 同相轴错断，但破碎带两侧的波组关系相对稳定 破碎面上的振幅强,50,4) 暗浜及古河道的波场特征特殊的地质现象。成分复杂，电性差异大二者雷达图像特征相似，区别在于范围的大小反射波振幅大，波形粗黑，同相轴
20、不连续，波形杂乱，边界明显，,51,4 常见地下目的物的雷达图像特征1) 地下管线 反射同相轴呈向上凸起的弧形，顶部反射振幅最强，弧形两端反射振幅最弱，不同的材质的管线的反射波特征不同： 金属管：介电常数大，导电率极强，衰减极大，金属管顶反射出现极性反转，无管底的反射信息 非金属管，管顶无极性反转，有可能出现管底信息 管内是否充水，其波形特征亦不同，若充水，则亦出现波形的极性反转 管线的半径越大，反射弧的曲率半径就越大,52,陶瓷,PVC,金属,电缆,污水管,53,2) 防空洞、地下室及污水箱涵 极强的反射振幅反射波的极性反转,54,3) 桩体 桩体与周围地层在垂直界面的电性差异明显，桩体两侧
21、反射波同相轴存在明显错断。,72式塑料防步兵地雷（左） 雷达图像（右）说明：制造地雷的材料和触发方式趋于多样化，仅靠金属探测器远远不够。探地雷达不仅可以发现金属地雷，对非金属类目标探测也可大展身手。,图谱1：地雷探测,六、探地雷达的应用,工程物探专题-地质雷达,说明：电磁波在地下的传播过程中遇到空洞等异常，其强度和相位将有明显变化，典型显示为双曲线（LT-1雷达测于广州）。,图谱2：地下土洞穴的检测图象,图谱3：土洞群的波形堆积图象,图谱4：地下空洞探地雷达检测图象,说明：电磁波在地下的传播过程中遇到岩溶等异常，其强度和相位将有明显变化，典型显示为双曲线（LTD-3雷达测于山东临沂）。,图谱5
22、：地下岩溶洞的检测图象,说明：电磁波在地下的传播过程中遇到管线，由于管线本身和其中的空气介质与周围土壤的介电特性差异较大，其强度和相位将有明显变化，典型显示为双曲线（LT-3雷达测于广州）。,图谱6：地下管线的检测图象,图谱7：三峡库区的金属管线检测图像,说明：电磁波在地下的传播过程中遇到管线等异常，其强度和相位将有明显变化，典型显示为双曲线（2003年测于长江三峡）。,图谱8：廊道下钢筋检测,说明：电磁波在地下的传播过程中遇到钢筋等异常，其强度和相位将有明显变化，典型显示为双曲线（2003年测于长江三峡）。,图谱9：廊道下钢筋及过人通道检测,说明：电磁波在地下的传播过程中遇到不同介质层，其强
23、度和相位将有明显变化，典型显示为双曲线（2003年测于长江三峡）。,图谱10：长江三峡库区里的混凝土污水管道（500M）,说明：对应埋深30cm,直径为50cm的混凝土管道处出现明显异常,图谱11：长江三峡库区里的混凝土污水管道（300M）,说明：埋深30cm,直径为50cm的混凝土管道呈现典型双曲线反映,图谱12：萧山观潮城五孔小桥探测图象,说明：天线拖过桥面时，来自桥孔和水面的反射信号较强，在剖面中显示为典型的双曲线（ 2003年用500M天线测于萧山）。,图谱13：北疆铁路SKS段路基检测剖面,说明：冬冻夏溶的交替变化导致铁路路基发生不均匀沉降，严重影响行车安全。GPR可给出道渣厚度分布
24、，进而确定路基沉降情况，为路基治理提供第一手资料。,图谱14：地下构造探测图像,说明：500M天线探测得到的灰度图，将地下不同特征的埋藏物和地质构造显露无遗。,说明：水的介电常数为81，与湖床的性质差异较大，电磁波的强度和相位将有明显变化，沿界面产生明显异常（1999年GCL211型地质雷达在大庆的冬试）,图谱15：冰下湖床的检测图象,说明：水的介电常数为81，与河底的性质差异较大，电磁波的强度和相位将有明显变化，沿界面产生明显异常（在河南沁河）。,图谱16：水下河床断面的检测图象,图谱17：水库大坝下堆石探测图象,说明：大坝边的抛石起到保护大堤安全的作用，GPR可以随时监测抛石的分布，为随时
25、补充石方提供提供第一手资料。,图谱18：水电站尾水的检测图像,说明：随时监测水电站大坝的渗漏问题，可确保大坝的安全。GPR可以检测到渗水通道的分布，为及时发现险情提供有效的手段。,天线为地面耦合式一体化天线。天线由汽车拖动，匀速前进，车速510公里/小时，每隔一定距离打一标记，用于水平定位。,路面下脱空检测现场,图谱19：海口丘海大道浅层脱空检测,说明：海口丘海大道部分路面出现塌陷，为全面治理所有存在隐患的路段，可用GPR发现路面下存在的空洞，以便一块治理。,图谱19的验证：海口丘海大道脱空检测-开挖验证,图谱20：海口丘海大道深层脱空检测,说明：海口丘海大道部分路面出现塌陷，为全面治理所有存
26、在隐患的路段，可用GPR发现路面下存在的空洞，以便一块治理。,图谱21：同三高速面基层厚度检测剖面,说明：传统的公路层厚测量方法是通过钻芯芯样的实验室测量完成的，此法费时、费力、没有代表性。而GPR可快速、连续的对公路面基层厚度进行检测，进而给出层厚综合评价报表。,地表面,沥青层下界面,图谱22：青岛市银川路某段探测图像,地表面,水泥煤粉稳定碎石层-二混土界面,桥梁,沥青混凝土-水泥煤粉稳定碎石层界面,图谱23：济青高速某段的结构探测图像,图谱24：江西TG高速ZH隧道钢筋分布探测,说明：利用GPR可以探测隧道衬砌里面的钢筋分布，为评价隧道衬砌质量提供依据。,图谱25：江西TG高速ZH隧道脱空检测,说明：利用GPR可以探测隧道二衬里面存在的空隙，为评价隧道衬砌质量提供依据。,图谱26：地下顶管前方障碍物探查,83,七、 探地雷达的成像处理,反射成像,工程物探专题-地质雷达,84,散射成像,85,谢谢大家！,
